JP2849025B2

JP2849025B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2849025B2
Application number: JP5149564A
Authority: JP
Inventors: 正一和田
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1999-01-20
Anticipated expiration: 2014-01-20
Also published as: JPH0713151A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ワードプロセッサやパ
ーソナルコンピュータなどの表示手段として用いられる
液晶表示装置に関し、特にスーパーツイステッドネマテ
ィック型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、従来のノーマリーホワイト表
示型の液晶表示装置の構成を示す断面図である。図１０
（１）は色補償用偏光板を用いたスーパーツイステッド
ネマティック（以下、「ＳＴＮ」と省略する。）型液晶
表示装置２１を示し、図１０（２）は位相差板を用いた
ＳＴＮ型液晶表示装置３３を示す。

【０００３】液晶表示装置２１は、偏光板２２，２３お
よび液晶素子２４を含む。液晶素子２４は、偏光板２２
と偏光板２３との間に配置される。液晶表示装置２１で
は、偏光板２２および偏光板２３のいずれか一方が色補
償用偏光板とされる。液晶素子２４は、透光性基板２
５，２６、透明電極２７，２８、配向膜２９，３０およ
び液晶層３１を含む。透光性基板２５，２６は、たとえ
ばガラスで実現される。基板２５，２６間には、液晶層
３１が配置される。液晶層３１は、前記基板２５，２６
間で液晶分子が２４０°ねじれるスーパーツイステッド
ネマティック液晶材料で実現される。基板２５，２６の
液晶層３１側表面には、透明電極２７，２８および配向
膜２９，３０がそれぞれ形成される。透明電極２７，２
８は、たとえばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で実現さ
れ、それぞれ複数の帯状にかつ互いに平行に形成され
る。また、透明電極２７，２８は、互いに直交するよう
に配置される。透明電極２７，２８が形成された透光性
基板２５，２６の液晶層３１側表面には、さらに配向膜
２９，３０がそれぞれ形成される。配向膜２９，３０
は、たとえばポリイミド樹脂で実現され、その表面には
たとえばラビング処理などの配向処理が施されている。

【０００４】一方、液晶表示装置３３は、偏光板２２，
２３、液晶素子２４および位相差板３２を含む。前記液
晶表示装置２１と同様に偏光板２２と偏光板２３との間
には液晶素子２４が配置され、液晶素子２４と、たとえ
ば偏光板２２との間に位相差板３２が配置される。

【０００５】たとえば、入射側の一方の偏光板を通過し
て生じた直線偏光は、液晶層を通過する際、液晶の複屈
折効果によって波長ごとに異なる楕円偏光となる。この
楕円偏光が出射側の他方の偏光板を通過するので、波長
によって透過光量の差が生じて表示が着色する。前記液
晶表示装置２１は、前記着色を色補償用偏光板で補償す
るものであり、前記液晶表示装置３３は、位相差板３２
で補償するものである。

【０００６】図１１は、色補償用偏光板の一般的な分光
透過率特性を示す図である。曲線Ｌ１は、１枚の色補償
用偏光板の特性を示し、曲線Ｌ２Ｐは２枚の色補償用偏
光板の光軸を平行に配置したときの特性を示し、曲線Ｌ
２Ｃは２枚の色補償用偏光板の光軸を直交するように配
置したときの特性を示す。各波長における透過率は、１
枚の場合が最も高く、２枚を直交するように配置した場
合が最も低い。前述した色補償用偏光板としては、一般
にこのような特性をもつものが使用される。

【０００７】また、前記位相差板３２は、たとえばポリ
カーボネートを延伸することによって作成される。ポリ
カーボネートを延伸して作成した位相差板のレターデー
ション値は、約６００ｎｍである。また、複屈折率異方
性Δｎは０．００８であり、複屈折率異方性Δｎの波長
分散Ｂは３６０である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述した液晶表示装置
２１では、図１１に示される特性を有する色補償用偏光
板が用いられる。この場合、背景色である白色表示時に
は、色補償効果が得られて無彩色な白色表示が得られる
けれども、点灯色である黒色表示時には、充分な色補償
効果が得られず、たとえば青紫色に着色した表示とな
る。このため、コントラスト比が低下するなど、良好な
表示特性が得られないという問題が生じる。たとえば、
このような液晶表示装置のコントラスト比は、約１：３
〜１：４である。

【０００９】一方、液晶表示装置３３では背景色および
点灯色ともに無彩色に近付くけれども、点灯色において
は充分な無彩色が得られない。前記無彩色とは、ＣＩＥ
色度座標（Ｌ＊，ａ＊，ｂ＊）において、ａ＊≦５およ
びｂ＊≦５程度である領域のことを意味する。また、明
度Ｌ＊は、コントラスト比との関係があり、無彩色およ
び高コントラスト比を得るためには、Ｌ＊，ａ＊，ｂ＊
を小さくする必要がある。前記液晶表示装置３３は、Ｌ
＊が２５程度であり、│ａ＊│・│ｂ＊│≦５であるけ
れども、相対的に│ｂ＊│＞│ａ＊│である。このた
め、点灯色である黒色表示時において、充分な補償効果
が得られず、特に短波長側では不充分であり、青みを帯
びた表示となる。このため、前記液晶表示装置２１と同
様に、コントラスト比が低下するなど、良好な表示特性
が得られないという問題が生じる。たとえば、このよう
な液晶表示装置のコントラスト比は、約１：５〜１：６
である。また、透過型として使用すると、反射型と比べ
て視認性が低下するという問題が生じる。

【００１０】本発明の目的は、無彩色で高コントラスト
な表示が得られる液晶表示装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、一対の偏光板
と、前記一対の偏光板間に配置されるスーパーツイステ
ッドネマティック型液晶素子と、前記一対の偏光板のう
ちいずれか一方の偏光板と前記液晶素子との間に、積層
して配置される２枚の位相差板とを含み、前記２枚の位
相差板は、複屈折率異方性Δｎの波長分散Ｂがともに、
３０≦Ｂ≦２５０の範囲に選ばれ、前記２枚の位相差板
の各光軸の成す角度φが、５°≦φ≦６０°の範囲に設
定されることを特徴とする液晶表示装置である。

【００１２】

【作用】本発明に従えば、一対の偏光板間に液晶素子が
配置され、前記一対の偏光板のいずれか一方の偏光板と
液晶素子との間に２枚の位相差板が積層して配置され
る。前記２枚の位相差板は、複屈折率異方性Δｎの波長
分散Ｂがともに、３０≦Ｂ≦２５０の範囲に選ばれ、２
枚の位相差板の各光軸の成す角度φは、５°≦φ≦６０
°の範囲に設定される。

【００１３】ＳＴＮ型液晶表示装置では、直線偏光で入
射した光は、液晶層中で液晶材料の複屈折率異方性Δｎ
の波長分散Ｂおよび旋光分散の影響を受け、出射する際
に楕円偏光となる。このため、表示の着色が生じる。本
発明の液晶表示装置は、黒色表示時における青（４５０
ｎｍ）、緑（５５０ｎｍ）、赤（６５０ｎｍ）の光の偏
光状態（楕円偏光の方位角、楕円率）を同一とすること
ができる。このことから、従来の位相差板方式の液晶表
示装置と比較すると、色補償効果が増大し、比較的無彩
色でかつ高コントラストな表示が得られることが確認さ
れた。したがって、表示品位の高い反射型表示、透過型
表示および階調表示が得られる。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例である透過型
の液晶表示装置１の構成を示す断面図である。液晶表示
装置１は、ノーマリーホワイト型、すなわち非選択時に
おける白色表示と選択時における黒色表示とによって動
作するものであり、偏光板２，３、位相差板４，５、液
晶素子６およびバックライト７を含む。偏光板２，３間
には液晶素子６が配置され、液晶素子６と、たとえば偏
光板２との間には位相差板４，５が配置される。位相差
板４は偏光板２側に配置され、位相差板５は液晶素子６
側に配置される。偏光板３に関して液晶素子６とは反対
側には、バックライト７が配置される。

【００１５】偏光板２，３は、その偏光度が９９．９５
％、単体透過率が４１．５％のものが選ばれ、たとえば
ＮＰＦ−Ｇ１２２０Ｄｕ（日東電工株式会社製）で実現
される。位相差板４，５は、ともに複屈折率異方性Δｎ
が０．００６に選ばれ、前記複屈折率異方性Δｎの波長
分散Ｂが５０に選ばれ、波長５５０ｎｍにおけるレター
デーション値Ｒｅが３９０ｎｍに選ばれ、たとえばポリ
ビニルアルコールを延伸したもので実現される。

【００１６】液晶素子６は、透光性基板８，９、透明電
極１０，１１、配向膜１２，１３および液晶層１４を含
む。透光性基板８，９は、たとえばガラスで実現され
る。基板８，９間には、液晶層１４が配置される。液晶
層１４は、前記基板８，９間で液晶分子が２４０°ねじ
れるスーパーツイステッドネマティック液晶材料で実現
される。この液晶材料の屈折率異方性Δｎと液晶層１４
の厚みｄとの積ｄ・Δｎは、０．８４μｍに選ばれる。
前記液晶材料としては、シクロヘキサン系液晶、トラン
系液晶、ビフェニル系液晶、ピリミジン系液晶などの混
合物で実現される。

【００１７】基板８，９の液晶層１４側表面には、透明
電極１０，１１がそれぞれ形成される。透明電極１０，
１１は、たとえばＩＴＯで実現され、それぞれ複数の帯
状に、かつ互いに平行に形成される。また、透明電極１
０と透明電極１１とは、互いに直交するように配置され
る。透明電極１０，１１が形成された基板８，９の液晶
層１４側表面には、さらに配向膜１２，１３が形成され
る。配向膜１２，１３は、たとえばポリイミド樹脂で実
現され、その表面にはたとえばラビング処理などの配向
処理が施されている。

【００１８】図２は、前記液晶表示装置１の位置関係を
説明するための図である。実線Ｒ１は偏光板２の吸収軸
を示し、実線Ｒ２は位相差板４の光軸（延伸軸）を示
し、実線Ｒ３は位相差板５の光軸（延伸軸）を示し、実
線Ｒ４は透光性基板８側液晶分子の配向軸を示し、実線
Ｒ５は透光性基板９側液晶分子の配向軸を示し、実線Ｒ
６は偏光板３の吸収軸を示す。

【００１９】また、角度αは透光性基板８側液晶分子の
配向軸Ｒ４と、位相差板４の光軸（延伸軸）Ｒ２との成
す角度を示し、角度βは透光性基板８側液晶分子の配向
軸Ｒ４と、偏光板２の吸収軸Ｒ２との成す角度を示し、
角度γは透光性基板９側液晶分子の配向軸Ｒ５と、偏光
板３の吸収軸Ｒ６との成す角度を示す。さらに、角度θ
は透光性基板９側液晶分子の配向軸Ｒ５と、透光性基板
８側液晶分子の配向軸Ｒ４との成す角度を示し、角度φ
は、位相差板４の光軸（延伸軸）Ｒ２と、位相差板５の
光軸（延伸軸）Ｒ３との成す角度を示す。

【００２０】本実施例の液晶表示装置１では、上記角度
を以下の表１に示される値に設定した。

【００２１】

【表１】

【００２２】本実施例の液晶表示装置１では、位相差板
４，５の複屈折率異方性Δｎの波長分散Ｂが５０に選ば
れるけれども、波長分散Ｂは３０≦Ｂ≦２５０の範囲で
あればよい。また、位相差板４，５の互いの光軸の成す
角度φは４５°に設定されるけれども、角度φは５°≦
φ≦６０°の範囲であればよい。

【００２３】前述した波長分散Ｂは、以下の数式（１）
（コーシーの式）で表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここで、Δｎは複屈折率異方性であり、λ
は波長であり、Ａは定数である。この数式（１）は図３
に示される特性曲線に基づいて、定数Ａおよび波長分散
Ｂが求められる。たとえば、図３において符号Ｌ３，Ｌ
４，Ｌ５でそれぞれ表される特性曲線の場合、符号Ｌ３
で表されるものが最も波長分散Ｂが大きく、符号Ｌ５で
表されるものが最も小さいこととなる。

【００２６】本発明の波長分散Ｂの範囲および角度φの
範囲は、以下のおよびの理論に基づくシミュレーシ
ョンによって得られるものである。

【００２７】Ｂｅｒｒｅｍａｎの４×４マトリクス法
（Ｄ．Ｗ．Ｂｅｒｒｅｍａｎ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａ
ｍ．，６２，５０２（１９７２））Ｅｒｉｃｋｓｅｎ，Ｌｅｓｌｉｅの式（Ｂ．Ｗ．Ｂｅ
ｒｒｅｍａｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４６，３７
４６（１９７５））上記およびの理論を用いることによって、各波長に
おける透過率を求めることができ、この透過率からコン
トラスト比およびブラックネスＢＬが求められる。前記
ブラックネスＢＬは、ＢＬ＝１００−｛（Ｌ＊）²＋
（ｕ＊）²＋（ｖ＊）²｝^1/2で得られる黒さを表す値で
あり、ＢＬ＝１００が理想値とされる。一般的には、Ｂ
Ｌが６０以上であれば良好な表示が得られる。なお、前
記Ｌ＊，ｕ＊，ｖ＊は、ＣＩＥ色度座標を表す値であ
る。

【００２８】図４は、前記シミュレーションによって求
められた位相差板の複屈折率異方性Δｎの波長分散Ｂ
と、液晶表示装置のコントラスト比およびブラックネス
ＢＬとの関係を示す図である。実線Ｌ６は、波長分散Ｂ
とコントラスト比との関係を示し、破線Ｌ７は波長分散
ＢとブラックネスＢＬとの関係を示す。なお、図４に示
されるシミュレーション結果は、２枚の位相差板の波長
分散Ｂを同一とし、また各光軸の成す角度φを４５°と
して得られたものである。

【００２９】現在、位相差板として使用される材料とし
ては、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリ
スチレン、ポリアリレートなどが挙げられる。ポリカー
ボネート、ポリスチレン、ポリアリレートの波長分散Ｂ
は、３００〜４００であり、ポリビニルアルコールの波
長分散Ｂは５０である。このように波長分散の範囲は限
られており、たとえば波長分散Ｂが５０〜３００の間で
あって、位相差板として適当な材料は見出されていな
い。しかしながら、上述したシミュレーションによっ
て、各波長分散Ｂにおけるコントラスト比およびブラッ
クネスＢＬが求められる。

【００３０】図４の結果から、波長分散Ｂが大きくなる
につれてコントラスト比およびブラックネスＢＬが低下
していることがわかる。このことから、従来から使用さ
れている位相差板材料の波長分散Ｂ（３００〜４００）
と比較して、本発明に基づく波長分散Ｂの範囲３０≦Ｂ
≦２５０では、コントラスト比およびブラックネスＢＬ
の向上した表示が得られると考えられる。

【００３１】図５は、前記シミュレーションによって求
められた２枚の位相差板の各光軸の成す角度φと、コン
トラスト比との関係を示す図である。なお、図５に示さ
れるシミュレーション結果は、前記角度α、すなわち透
光性基板８側液晶分子の配向軸Ｒ４と、位相差板４の光
軸Ｒ２との成す角度αを１２５°とし、２枚の位相差板
の波長分散Ｂをそれぞれ５０として得られたものであ
る。位相差板の各光軸の成す角度φを５°から大きくし
ていくと、コントラスト比が増加し、角度φが５０°付
近で最大コントラスト比が得られる。さらに角度φを大
きくしていくと、コントラスト比が低下する。このよう
に位相差板４，５の角度φが５°≦φ≦６０°の範囲で
あれば、コントラスト比の高い表示が得られるものと考
えられる。

【００３２】続いて本実施例の液晶表示装置１のコント
ラスト比の測定結果について説明する。図６は、液晶表
示装置１の表示画面１５を示す平面図である。液晶表示
装置１の表示画面１５には、複数の画素１６が形成され
る。画素１６は、前記液晶素子６の透明電極１０，１１
が交差する領域に相当する。本実施例のノーマリホワイ
ト型表示を透過型表示において実施すると、斜線を付し
て示される複数の画素１６の間である領域から光のもれ
が生じ、コントラスト比の低下が生じる。特に黒色表示
時における光のもれの影響は大きく、コントラスト比の
低下が顕著となる。このため、一般に前記領域にブラッ
クマトリクスと称される遮光手段が設けられる。このよ
うな遮光手段としては、ＭｎＯ₂のリフトオフプロセス
やＭｏのエッチングによって形成される。

【００３３】前記バックライト７として図７に示される
発光スペクトルを有する冷陰極管を用い、さらに１／２
００デューティ、１／１３バイアスで駆動したところ、
前記遮光手段を設けなかった場合にコントラスト比１：
４が得られ、遮光手段を設けた場合にコントラスト比
１：１０が得られた。透光手段を設けた場合のコントラ
スト比は、従来の位相差板を１枚用いた液晶表示装置の
コントラスト比（１：５〜１：６）よりも大幅に向上し
たものである。

【００３４】図８は、本発明の第２の実施例である反射
型の液晶表示装置１７の構成を示す断面図である。液晶
表示装置１７は、前記液晶表示装置１とほぼ同様に構成
されるけれども、前記バックライト７に代わって反射板
１８が設けられる。反射板１８は、たとえば絶縁性基板
表面にアルミニウムを蒸着したもので実現される。ま
た、偏光板２，３として、たとえば偏光度９９．５％、
単体透過率４４．５％のものが選ばれ、たとえばＮＰＦ
−Ｇ１２２５Ｄｕ（日東電工株式会社製）が用いられ
る。この液晶表示装置１７を前記実施例と同様に１／２
００デューティ、１／１３バイアスで駆動したところ、
コントラスト比１：１３が得られ、また点灯色（黒色表
示）のブラックネスＢＬは８９であった。なお、このコ
ントラスト比およびブラックネスＢＬの値は、前記遮光
手段を設けないときの値である。

【００３５】図９は、本発明の第３の実施例である半透
過反射型の液晶表示装置２０の構成を示す断面図であ
る。液晶表示装置２０は、前記液晶表示装置１とほぼ同
様に構成されるけれども、前記偏光板３とバックライト
７との間に半透過反射板１９が設けられる。半透過反射
板１９としては、たとえば合成樹脂に散乱用粒子を混合
したものを板状に形成して実現される。また、偏光板
２，３としては、前記液晶表示装置１７で使用したもの
と同じものが用いられる。この液晶表示装置２０を、前
記実施例と同様に１／２００デューティ、１／１３バイ
アスで駆動したところ、反射表示時においてコントラス
ト比１：１３が得られ、透過表示時においてコントラス
ト比１：３．５が得られた。なお、本実施例のコントラ
スト比は、前記遮光手段を設けないときの値である。

【００３６】以上のように本発明に基づく液晶表示装置
１，１７，２０は、２枚の位相差板４，５が用いられ、
位相差板４，５の複屈折率異方性Δｎの波長分散Ｂは３
０≦Ｂ≦２５０の範囲から、５０に選ばれ、位相差板
４，５の光軸の成す角度φは５°≦φ≦６０°の範囲か
ら４５°とされる。これによって、点灯（黒色表示）時
の青（４５０ｎｍ）、緑（５５０ｎｍ）、赤（６５０ｎ
ｍ）の光の偏光状態（楕円偏光の方位角、楕円率）が同
一となり、高い補償効果が得られて、無彩色でコントラ
スト比の高い表示が得られる。

【００３７】なお、位相差板４，５の波長分散Ｂは、互
いに一致する必要はなく、それぞれの位相差板４，５の
波長分散Ｂがともに３０≦Ｂ≦２５０の範囲内であれ
ば、本発明による効果が得られ、無彩色で高コントラス
トの表示が得られる。これは、たとえば位相差板４とし
て、ポリビニルアルコール（波長分散Ｂ＝５０）を用
い、位相差板５としてポリカーボネート（波長分散Ｂ＝
３６０）を用いて液晶表示装置を作成したところ、位相
差板４，５ともにポリビニルアルコールを用いた液晶表
示装置と、位相差板４，５ともにポリカーボネートを用
いた液晶表示装置とのほぼ中間的な表示が得られること
が目視にて確認されたことから、上述したように設定し
た場合においても、本発明の効果が得られるものと考え
られる。すなわち、たとえば位相差板４の波長分散Ｂを
３０とし、位相差板５の波長分散Ｂを３０としてもよ
く、位相差板４の波長分散Ｂを３０とし、位相差板５の
波長分散Ｂを２００としてもよく、位相差板４の波長分
散Ｂを２００とし、位相差板５の波長分散Ｂを３０とし
てもよい。

【００３８】また本実施例では、液晶素子６と偏光板２
との間に位相差板４，５を配置した例について説明した
けれども、液晶素子６と偏光板３との間に配置する例も
本発明の範囲に属するものである。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、偏光板と
液晶素子との間に配置される２枚の位相差板の複屈折率
異方性Δｎの波長分散Ｂは、３０≦Ｂ≦２５０の範囲に
選ばれ、各光軸の成す角度φは５°≦φ≦６０°の範囲
に設定される。したがって、黒色表示における各波長の
光の偏光状態（楕円偏光の方位角、楕円率）が同一とな
り、高い補償効果が得られる。このため、比較的無彩色
でかつ高コントラストな表示が得られ、反射型表示、透
過型表示および階調表示などにおいて高い表示品位が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である透過型の液晶表示
装置１の構成を示す断面図である。

【図２】前記液晶表示装置１の位置関係を説明するため
の図である。

【図３】波長λと複屈折率異方性Δｎとの関係を示す図
である。

【図４】シミュレーションによって求められた位相差板
の複屈折率異方性Δｎの波長分散Ｂと、液晶表示装置の
コントラスト比およびブラックネスＢＬとの関係を示す
図である。

【図５】シミュレーションによって求められた２枚の位
相差板の各光軸の成す角度φと、コントラスト比との関
係を示す図である。

【図６】前記液晶表示装置１の表示画面１５を示す平面
図である。

【図７】バックライト７として用いられた冷陰極管の発
光スペクトルを示す図である。

【図８】本発明の第２の実施例である反射型の液晶表示
装置１７の構成を示す断面図である。

【図９】本発明の第３の実施例である半透過反射型の液
晶表示装置２０の構成を示す断面図である。

【図１０】従来の液晶表示装置２１，３３の構成を示す
断面図である。

【図１１】色補償用偏光板の一般的な分光透過率特性を
示す図である。

【符号の説明】

１，１７，２０液晶表示装置２，３偏光板４，５位相差板６液晶素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の偏光板と、前記一対の偏光板間に配置されるスーパーツイステッド
ネマティック型液晶素子と、前記一対の偏光板のうちいずれか一方の偏光板と前記液
晶素子との間に、積層して配置される２枚の位相差板と
を含み、前記２枚の位相差板は、複屈折率異方性Δｎの波長分散
Ｂがともに、３０≦Ｂ≦２５０の範囲に選ばれ、前記２枚の位相差板の各光軸の成す角度φが、５°≦φ
≦６０°の範囲に設定されることを特徴とする液晶表示
装置。